Kineski satelit podijelio je parove "zapletenih fotona" i prenio ih u odvojene zemaljske stanice udaljene 1200 kilometara, razbijajući prethodno rekord udaljenosti za takav podvig i otvarajući nove mogućnosti u kvantnoj komunikaciji.
U kvantnoj fizici, kada čestice na određeni način međusobno djeluju, one se "zapleću". To u suštini znači da ostaju povezani čak i kada ih razdvajaju velike udaljenosti, tako da akcija izvršena na jednoj utječe na drugu.
U novoj studiji objavljenoj na mreži danas (15. lipnja) u časopisu Science, istraživači izvještavaju o uspješnoj distribuciji zapletenih parova fotona na dvije lokacije na Zemlji razdvojene 747,5 milja (1,203 km).
Znanstvenici su pokazali da kvantno zapletenost ima zanimljive aplikacije za testiranje osnovnih zakona fizike, ali i za stvaranje izuzetno sigurnih komunikacijskih sustava. To je zato što kvantna mehanika kaže da ga mjerenje kvantnog sustava neminovno uznemirava, pa je bilo kakav pokušaj prisluškivanja nemoguće sakriti.
Ali teško je distribuirati zapletene čestice - obično fotone - na velike udaljenosti. Kada putujete zrakom ili preko optičkih kablova, okoliš ometa čestice, tako da na većoj udaljenosti signal propada i postaje preslab da bi bio koristan.
2003. godine, Pan Jianwei, profesor kvantne fizike na Kineskom sveučilištu, započeo je rad na satelitskom sustavu osmišljenom da snopi zapetljene parove fotona do zemaljskih stanica. Ideja je bila da, budući da će većina putovanja čestica proći kroz vakuum prostora, ovaj sustav unosi znatno manje uplitanja u okoliš.
"Mnogi su ljudi tada smatrali da je to luda ideja, jer je bilo već izazovno raditi sofisticirane eksperimente kvantne optike unutar dobro oklopljenog optičkog stola", rekao je Pan za Live Science. "Pa kako možete izvesti slične eksperimente na skali od tisuće kilometara i kada optički elementi vibriraju i kreću se brzinom od 8 kilometara u sekundi?"
U novoj su studiji istraživači koristili kineski satelit Micius, lansiran prošle godine, za prijenos zapletenih parova fotona. Satelit ima ultra-svijetli zapetljeni izvor fotona i visoko precizni sustav prikupljanja, usmjeravanja i praćenja (APT) koji koristi lasere s маяrom na satelitu i na tri zemaljske stanice za postrojenje odašiljača i prijemnika.
Nakon što su fotoni stigli do zemaljskih stanica, znanstvenici su obavili ispitivanja i potvrdili da su čestice još uvijek zapletene unatoč prijeđenom putu između 1.600 i 2.400 km između 994 milje i 1.490 milja, ovisno o tome u kojoj je fazi njegove orbite satelit smješten.
Samo je najnižih 10 milja Zemljine atmosfere dovoljno gust da uzrokuje značajne smetnje fotonima, rekli su znanstvenici. To znači da je sveukupna učinkovitost njihove veze bila znatno veća od prethodnih metoda distribucije zapletenih fotona putem optičkih kabela, tvrde znanstvenici.
"Već smo postigli djelotvornost raspodjele dva fotona zapetljanja trilijun puta efikasniju od korištenja najboljih telekomunikacijskih vlakana", rekao je Pan. "Napravili smo nešto što je bilo potpuno nemoguće bez satelita."
Osim provođenja eksperimenata, jedna od mogućih upotreba ove vrste sustava je i za "kvantnu raspodjelu ključeva", u kojoj se kvantni komunikacijski sustavi koriste za dijeljenje ključa za šifriranje između dviju strana koje je nemoguće presresti bez uzbunjivanja korisnika. U kombinaciji s ispravnim algoritmom za šifriranje, ovaj sustav je neuporediv čak i ako se šifrirane poruke šalju preko normalnih komunikacijskih kanala, kažu stručnjaci.
Artur Ekert, profesor kvantne fizike na Sveučilištu u Oxfordu u Velikoj Britaniji, prvi je opisao kako zapleteni fotoni mogu biti korišteni za prijenos ključa za šifriranje.
"Kineski eksperiment prilično je izvanredno tehnološko dostignuće", rekao je Ekert za Live Science. "Kad sam još 1991. godine, kada sam bio student u Oxfordu, predložio upetljavanje kvantne distribucije ključeva, nisam očekivao da će biti uzdignut na takve visine!"
Pan, prema Pan-ovom mišljenju, nije baš spreman za upotrebu u praktičnim sustavima kvantne komunikacije. Za jednu, njegova relativno mala orbita znači da svaka prizemna stanica ima pokrivenost za samo oko 5 minuta svakog dana, a valna dužina fotona koja se koristi znači da može raditi samo noću, rekao je.
Pojačavanje vremena i područja pokrivanja značit će lansiranje novih satelita s većom orbitom, rekao je Pan, ali to će zahtijevati veće teleskope, preciznije praćenje i veću učinkovitost veze. Dnevne operacije zahtijevat će uporabu fotona u valnim duljinama telekomunikacija, dodao je.
No, dok će razvijanje budućih kvantnih komunikacijskih mreža zahtijevati mnogo posla, Thomas Jennewein, izvanredni profesor na Institutu za kvantno računarstvo Sveučilišta Waterloo u Kanadi, rekao je da je Pan-ova skupina pokazala jedan od ključnih sastavnih dijelova.
"Bavio sam se ovim istraživanjem od 2000. godine i istraživao slične primjene pokusa kvantnog zapletanja iz svemira. Stoga mogu vrlo dobro potvrditi hrabrost, predanost i vještine koje je ova kineska skupina pokazala", rekao je za Live Science ,
